試驗(yàn)用軌道的平順性檢測(cè)與分析

祝向陽(yáng)，周文祥，孔振文，何 勇

（1.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610036；2.西南交通大學(xué)高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全空間信息技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611756）

0 引言

高速列車(chē)運(yùn)行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)位于西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，用于進(jìn)行高速列車(chē)運(yùn)動(dòng)模型的氣動(dòng)力學(xué)等實(shí)驗(yàn)，對(duì)我國(guó)高鐵技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和助力交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略實(shí)施具有重要意義［1-3］。試驗(yàn)臺(tái)由約 143 m 小鋼軌、1∶10 的鋁合金模型車(chē)、電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)回收系統(tǒng)等組成。模型車(chē)需要在 50 m 范圍加速到 110 m/s，制停距離不大于 40 m，模型車(chē)的速度很快，要求軌道安裝幾何尺寸達(dá)到較高精度。

模擬試驗(yàn)臺(tái)設(shè)東、西線雙線，東線后來(lái)改成磁軌。西線軌道采用 8 kg/m 最小號(hào)鋼軌，5 m 長(zhǎng)一段，拼接為總長(zhǎng)約 143 m 的直線軌道，軌距設(shè)計(jì)值為 144 mm。模擬試驗(yàn)臺(tái)的鋼軌位置分布如圖 1 所示，其中Y軸指向西側(cè)，X軸指向北側(cè)，Z軸垂直于xOy平面向上。軌道線路在實(shí)際鋪設(shè)過(guò)程中，其鋼軌的空間幾何位置難免相對(duì)其設(shè)計(jì)位置產(chǎn)生偏差，稱(chēng)為不平順。

圖1 鋼軌位置分布圖

鐵路提速發(fā)展至今已近 200年，各國(guó)對(duì)提高列車(chē)運(yùn)行速度都進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在鐵路線路方面，軌道的平順性是限制列車(chē)運(yùn)行速度的主要因素之一，所引起的輪軌作用力及列車(chē)振動(dòng)，會(huì)隨著車(chē)速的提高而急劇增加，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致列車(chē)脫軌，因此高速鐵路對(duì)不平順?lè)档囊髽O為嚴(yán)格［4，5］，各個(gè)鐵路發(fā)達(dá)國(guó)家都有自己的軌道幾何質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。為此本文將干線鐵路軌道不平順的相關(guān)理論及技術(shù)用于評(píng)價(jià)試驗(yàn)臺(tái)線路。

1 軌道平順性檢測(cè)

試驗(yàn)臺(tái)鋼軌安裝在直線電機(jī)平臺(tái)之上，前期張曉陽(yáng)等［6］對(duì)安裝電機(jī)的 T 型槽導(dǎo)軌進(jìn)行了調(diào)整。本文在此基礎(chǔ)之上，對(duì)西線安裝好的鋼軌平順性進(jìn)行檢測(cè)，采用游標(biāo)卡尺及全站測(cè)量?jī)x［7］對(duì)鋼軌進(jìn)行全面測(cè)量；此外通過(guò)測(cè)量模型車(chē)的橫向加速度和垂向加速度也能夠反映出小鋼軌安裝質(zhì)量，在對(duì)超差區(qū)段進(jìn)行調(diào)整前采用激光準(zhǔn)直儀對(duì)過(guò)大的局部不平順進(jìn)行復(fù)核。

1.1 軌道不平順的概念

軌道的幾何形狀、基本尺寸和空間位置相對(duì)其設(shè)計(jì)的理想位置的偏差稱(chēng)為軌道的不平順。軌道不平順的分類(lèi)方式有好幾種，其中按照位置的方位可分為 4 類(lèi)（見(jiàn)圖 2）。

圖2 軌道常見(jiàn)不平順

高低不平順：指軌道沿鋼軌長(zhǎng)度方向，軌道中心線在豎直平面內(nèi)與水平線的凹凸不平，可以表示如式（1）所示。

水平不平順：指軌道各個(gè)橫截面上左右兩軌頂面高差的波動(dòng)變化，是左右兩根鋼軌頂面的相對(duì)高度誤差，可以表示如式（2）所示。

式（1）、（2）中，ZL、ZR分別為左右兩股鋼軌的垂向坐標(biāo)，mm。

軌向不平順：指軌道內(nèi)側(cè)面沿鋼軌長(zhǎng)度方向的橫向不平順，可以表示如式（3）所示。

軌距不平順：指左右鋼軌之間的軌距沿著軌道長(zhǎng)度方向的變化，可以表示如式（4）所示。

式（3）、（4）中，yL、yR分別為左右鋼軌的橫向坐標(biāo)；g0為名義軌距，mm。

此外，在垂向還有扭曲不平順即三角坑，是指左右兩軌頂面相對(duì)于軌道平面的扭曲，用相隔一定距離（軸距或心盤(pán)距）的兩個(gè)橫截面水平幅值的代數(shù)差度量［9］。

1.2 軌道不平順的檢測(cè)

通常采用均方值、方差或標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)描述軌道不平順的幅值特性，它們能夠反映某段軌道的質(zhì)量狀態(tài)，TQI 是左右軌向、左右高低、軌距、水平以及三角坑軌道幾何不平順?lè)档臉?biāo)準(zhǔn)差之和，軌道質(zhì)量指數(shù) TQI 能夠反映軌道平順性綜合質(zhì)量狀態(tài)［10，11］。本文檢測(cè)內(nèi)容主要包括：鋼軌平面直線線型（軌道直線度）、豎面線型（軌道平整度）及軌距的測(cè)量與分析；同時(shí)在安裝平臺(tái)上標(biāo)記了測(cè)點(diǎn)的位置及其編號(hào)，表 1 所示為軌道不平順質(zhì)量指數(shù) TQI 管理標(biāo)準(zhǔn)。

表1 250～350 km/h 線路軌道質(zhì)量指數(shù)管理值［12］

根據(jù) 200 m 區(qū)段軌道不平順質(zhì)量指數(shù) TQI 管理標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表 1），時(shí)速 250～350 km/h 的 TQI 值為 5.0；測(cè)得的試驗(yàn)臺(tái)鋼軌坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算可得鋼軌的各不平順結(jié)果，如表 2 所示。

表2 模擬試驗(yàn)臺(tái)鋼軌 TQI 計(jì)算值

表 2 中 TQI 值為 8.9 超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值 5.0，可見(jiàn)鋼軌的平順性較差，主要表現(xiàn)在軌向及高低平順狀態(tài)不理想，故必須進(jìn)行調(diào)整。

2 軌道不平順?lè)治黾罢{(diào)整

2.1 軌距不平順?lè)治?/h3>

表2 中軌距不平順的標(biāo)準(zhǔn)差為 0.4，低于表2 中 0.6，可以看出管道內(nèi)鋼軌的軌距不平順狀態(tài)良好；根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò) Origin 畫(huà)出點(diǎn)線圖，服從正態(tài)分布，并依據(jù) 3σ原則可見(jiàn)大部分測(cè)點(diǎn)的數(shù)值符合要求（見(jiàn)圖 3），只有個(gè)別點(diǎn)仍需要調(diào)整。

圖3 軌距不平順

2.2 水平不平順?lè)治?/h3>

表2 中水平不平順的標(biāo)準(zhǔn)差的值為 0.4 低于表1 中的 0.7，可以看出管道內(nèi)鋼軌的水平不平順狀態(tài)良好；對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，服從正態(tài)分布，畫(huà)出點(diǎn)線圖后根據(jù) 3σ原則發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值滿足要求（見(jiàn)圖 4），但對(duì)于偏差較大的少數(shù)點(diǎn)需要調(diào)整。

圖4 水平不平順

2.3 高低不平順?lè)治?/h3>

從表 2 高低不平順的標(biāo)準(zhǔn)差，可看出鋼軌左高低比右高低好，測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò) Origin 畫(huà)出左高低和右高低點(diǎn)線圖，整體服從正態(tài)分布，根據(jù) 3σ原則，從曲線中可以看出左軌測(cè)點(diǎn)的數(shù)值基本上為［0.424，0.430］，右軌測(cè)點(diǎn)的數(shù)值個(gè)別需要調(diào)整（見(jiàn)圖 5）。

圖 5 高低不平順

2.4 軌向不平順?lè)治?/h3>

從表 2 中軌向不平順的標(biāo)準(zhǔn)差可以看出試驗(yàn)臺(tái)鋼軌的軌向平順狀態(tài)不理想，右軌向比左軌向較差，對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，如圖 6 所示；需要對(duì)鋼軌的軌向平順狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

圖6 軌向不平順

2.5 軌道不平順調(diào)整

通過(guò)以上對(duì)試驗(yàn)臺(tái)鋼軌的平順性分析，可以發(fā)現(xiàn)鋼軌的水平及軌距平順性良好，高低及軌向需要調(diào)整；本文采用小型打磨機(jī)對(duì)鋼軌進(jìn)行打磨，根據(jù)鋼軌打磨驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)及鋼軌打磨策略對(duì)高速試驗(yàn)臺(tái)鋼軌進(jìn)行打磨［13-15］，先整體打磨，再根據(jù)標(biāo)記有問(wèn)題的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行適量打磨，同時(shí)調(diào)整墊片、螺栓等，使打磨、調(diào)整后的鋼軌平順性基本滿足試驗(yàn)要求。

3 鋼軌調(diào)整后平順性評(píng)價(jià)

從車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的角度，軌道不平順是車(chē)輛系統(tǒng)振動(dòng)的最主要激擾因素；其中高低和水平不平順主要影響車(chē)輛垂向振動(dòng)加速度及垂向平穩(wěn)性指標(biāo)、舒適度指標(biāo)，軌距和軌向不平順主要影響車(chē)輛的橫向動(dòng)力學(xué)性能［16，17］。通過(guò)測(cè)量鋁合金模型車(chē)在運(yùn)行中的橫向加速度和垂向加速度對(duì)調(diào)整后的鋼軌平順性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

本文采用鐵道車(chē)輛舒適度測(cè)試儀和手持 GPS 的方式，取得模型車(chē)的橫向、垂向加速度，分析處理后畫(huà)出加速度曲線（見(jiàn)圖 7、8），與車(chē)輛舒適度指標(biāo)比較，評(píng)價(jià)調(diào)整后鋼軌的平順狀態(tài)。

圖7 車(chē)體橫向加速度

圖8 車(chē)體垂向加速度

從橫向、垂向加速度圖中可以看出加速度值最大不超過(guò) 0.3g，小于 TB/T 3355－2014《軌道幾何狀態(tài)動(dòng)態(tài)檢測(cè)及評(píng)定》軌道動(dòng)態(tài)管理標(biāo)準(zhǔn)中的 I 級(jí)指標(biāo)橫向加速度 0.6g和垂向加速度 1g，最大幅值基本出現(xiàn)在用于安裝鋼軌和電機(jī)的基礎(chǔ)平臺(tái)接縫處。從以上分析來(lái)看，使用軌道砂輪打磨機(jī)對(duì)鋼軌打磨及調(diào)整過(guò)后，鋼軌的橫向、垂向平順度基本滿足試驗(yàn)要求，但鋼軌接縫處、平臺(tái)接縫處仍存在問(wèn)題，需要進(jìn)一步調(diào)整，以滿足鋁合金模型車(chē)試驗(yàn)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)高速運(yùn)行模擬試驗(yàn)臺(tái)鋼軌的平順性進(jìn)行檢測(cè)、分析與調(diào)整得出以下結(jié)論：

1）采用軌道不平順質(zhì)量管理指數(shù) TQI 和車(chē)體橫向、垂向加速度能夠較好地評(píng)價(jià)軌道平順性。

2）采用小型打磨機(jī)及調(diào)整鋼軌墊片、螺栓的方法能夠改善鋼軌的平順性。

本文對(duì)高速運(yùn)行模擬試驗(yàn)臺(tái)鋼軌的平順性進(jìn)行了檢測(cè)及分析，并對(duì)鋼軌進(jìn)行了調(diào)整，對(duì)后續(xù)模型車(chē)的制動(dòng)試驗(yàn)的有效、安全進(jìn)行具有重要作用。Q